1维/0维杂化导电聚合物复合材料的温敏与压感特性调控

Establishing methods for adjusting the structure and properties of conductive polymer composites, and constructing new simple thermal or pressure sensors with high efficiency are the popular topics in the materials science. Aiming at the low percolativity, thermo- and pressure-sensitivity of the conventional conductive polymer composites, this project plans to carry out the “adjustment of the thermo- and pressure-sensitivity of 1dimension/0dimension(1D/0D) hybrid conductive polymer composites” work, and systematically study: (1) the relation between the structure and properties of the hybrid conductive polymer composites to achieve the adjustment of their thermo- and pressure-sensitivity; (2) the changing process and mechanism of the conductive network in the composites under external force to establish methods for adjusting their thermo- and pressure-sensitivity under external force; and (3) the methods based on 1D/0D hybrid conductive network design for increasing the conductivity and sensitivity of the polymer thermal or pressure sensors to provide theoretical basis for the applications of conductive polymer composites in the fields of flexible sensors, smart switches, wearable electronics and electronic skins, which have a great value on theory and application.

建立导电聚合物复合材料结构与性能的调控方法，设计制备各种新型、简便、高效的温敏与压感器件是当前材料科学中的热门研究课题。本项目拟针对常规导电复合材料中导电网络逾渗特性不足和温敏、压感灵敏度低的问题，开展1维/0维（1D/0D）杂化导电聚合物复合材料的温敏与压感特性调控及应用工作，系统研究:（1）1D/0D杂化导电聚合物复合材料结构与性能之间的关系，实现对复合材料温敏与压感特性的调控；（2）外界作用下，复合材料中杂化导电网络的变化过程与机理，建立外界作用下调控材料温敏与压感特性的方法；（3）通过1D/0D杂化导电网络结构设计，提高聚合物温敏与压感器件的导电性和传感灵敏度，为导电聚合物复合材料在柔性传感器、智能开关、电子服饰和电子皮肤方面的应用提供依据，具有重要的理论与实际应用价值。

在聚合物中构建均匀分散导电填料的方法，对制备低逾渗阈值、高导电的柔性电子材料是十分必要的。然而，即使在化学修饰调控导电填料的界面特性后，导电填料维度尺寸所伴随的分散构象熵增特性，仍有可能降低填料的逾渗特性而导致相分离和导电性下降。因此，本项目结合高逾渗特性的一维（1D）导电填料和不易团聚的零维（0D）颗粒，并通过构象熵拟合计算，设计了高逾渗特性的1D/0D杂化导电网络，并基于此制备了高灵敏度的柔性电学压力、温度传感器。具体而言，本项目（1）研究了1D、0D颗粒尺寸、形貌、杂化度、表面化学特性、基底亲疏水性等因数对1D/0D杂化导电网络逾渗特性的影响，阐明了交联聚合物体系和线性聚合物体系中杂化导电网络的异同，并突破了交联网络对导电网络的限制，构建了连接增强的交联/导电双网络结构，制备了成果发展时逾渗阈值最低（0.06 wt%）的碳纳米管改性聚二甲基硅氧烷材料；（2）阐明了1D/0D杂化导电网络在材料形变和受温度等外界刺激作用下的变化规律，探索了导电网络变形的动力学和热力学机理，构建了基于1D/0D杂化导电网络结构设计和填料、基底改性的压感、温敏特性调控方法；（3）基于聚二甲基硅氧烷等弹性体和改性纤维素纳米晶柔性气凝胶等多孔材料，构建了含1D/0D杂化导电网络的压力、温度传感器件， 并建立了基于调节弹性体中交联/导电双网络和气凝胶中孔隙取向度的传感灵敏度调制方法，其中纤维素纳米晶基气凝胶还因含杂化网络而具备可逆的刺激响应刚柔转变能力（模量变化范围为0.87 kPa - 0.8 MPa）。上述成果不仅提供了一种高逾渗特性高导电的杂化网络构建方法，还为基于导电聚合物复合材料的电子皮肤、可穿戴设备等电子传感器件提供设计思路，具有显著的理论和实用参考价值。